韓立杰，楊真，萇進(jìn)，蘇紅，聶光瑋，宋作瑋，馮兵

中國航天汽車有限責(zé)任公司，北京 100041

0 引言

車架是車輛承重的關(guān)鍵部分，其結(jié)構(gòu)性能的好壞決定著車輛的承載能力和使用壽命的高低[1]。因此在車輛的設(shè)計過程中，往往會把車架的結(jié)構(gòu)作為重要的部分進(jìn)行研發(fā)。

車輛的研發(fā)設(shè)計過程中，有限元分析是必要的手段，它能縮短研發(fā)周期，提高設(shè)計效率。而有限元模型的建立，其單元的選擇和模型的應(yīng)用都非常重要[2]。在大型車輛中，車身骨架往往會被簡化成梁單元，用以提高計算效率，但是這樣做會存在以下幾個問題:①桿的兩端連接部分只有一個節(jié)點(diǎn)，其連接部分的具體情況無法得知;②梁的截面與實(shí)際的模型有比較大的區(qū)別，因而會影響計算的精度[3]。其實(shí)三維實(shí)體單元是最能表現(xiàn)實(shí)體零部件信息的單元，由于三維實(shí)體單元能夠完全表達(dá)模型的質(zhì)量、慣性力、材料等性能特征，而且可以由空間實(shí)際的角度真實(shí)地逼近模型的幾何形狀。但相對于厚度比較薄的鈑金件，使用三維實(shí)體網(wǎng)格往往會出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。

車架中有很多鈑金件，為了提高計算效率，分析計算人員往往會將其焊接部分直接利用綁定接觸代替焊接效果，此種建模方法不能準(zhǔn)確地體現(xiàn)出實(shí)際焊縫的焊接范圍和焊接高度等焊接特征。仿真分析人員在建模過程中，對于車架的承重部件往往會用集中力代替，而集中力并不能完全等效于重力場中慣性力的作用效果[4]。因此，本文針對上述問題，建立多個有限元仿真模型，用以研究它們之間的具體差異。

1 分析工況

1.1 車輛的作業(yè)工況

靜強(qiáng)度工況：車輛行駛在平直且路面良好的道路上，沿直線做勻速行駛的狀態(tài)。

扭轉(zhuǎn)工況：由于路面不平整等原因，車輛在行駛過程中，前端的車輪有一個碾壓到凸出物體上，車架將受到扭轉(zhuǎn)加載，因而會使車架受到一個扭矩作用。車架的扭轉(zhuǎn)剛度是衡量車架剛度的重要指標(biāo)，其表示車架的抗變形能力，在一定程度上影響整車的通過性和行駛平穩(wěn)性[5-6]。

1.2 載荷

車架所承受的質(zhì)量與載荷，乘以1.5的動載荷系數(shù)來模擬車輛行駛過程中的運(yùn)動效果。由于本計算是靜力加載，若重力場選取10 m/s2，則車架上裝設(shè)備由于自身質(zhì)量等因素，所產(chǎn)生的集中載荷可通過換算處理得到表1所示的數(shù)據(jù)(表中設(shè)備的質(zhì)量是已經(jīng)乘以1.5倍后的數(shù)據(jù))。

表1 車架載荷的處理及施加數(shù)據(jù)

1.3 材料參數(shù)

車架上的鈑金件和管件等主要用的材料是Q345，板簧用的材料為B510，其材料特性見表2。

表2 材料特性

2 車架的有限元計算

2.1 前處理

采用Creo6.0軟件建立車架的三維模型，為提高計算的效率，在對車架進(jìn)行前處理時，要對車架模型進(jìn)行簡化處理。結(jié)構(gòu)的簡化應(yīng)滿足實(shí)際的力學(xué)特性作為前提，三維模型中一些結(jié)構(gòu)較小的尺寸，如較小的孔、圓角等小特征，對車架的力學(xué)結(jié)構(gòu)影響比較小可以刪除這些特征。

簡化后的模型，鈑金件抽取中殼，大小用8 mm的S4R網(wǎng)格劃分;鋼板彈簧采用六面體單元，板簧片之間采用綁定接觸連接[7];板簧與板簧支架間用梁單元連接，并釋放其旋轉(zhuǎn)自由度，用以模擬實(shí)際模型的軸銷連接;車架的板件焊件分別采用焊縫實(shí)際建模和用綁定接觸連接這兩種方式模擬，其中建立的焊縫部分，焊縫的材料與母材的材料一致;激光器等車架上裝設(shè)備的質(zhì)量中心，與其安裝孔周圍的節(jié)點(diǎn)建立運(yùn)動耦合連接(若用分布耦合連接，模型往往不能收斂)，用以模擬上裝設(shè)備的安裝位置。有限元網(wǎng)格模型如圖1所示，有限元模型的信息見表3。

圖1 有限元網(wǎng)格模型

表3 有限元模型的信息

2.2 工況設(shè)置

2.2.1 靜強(qiáng)度工況

約束：前后輪位置，約束其平動自由度。

加載：第一種方案是在上裝設(shè)備質(zhì)心處，建立質(zhì)量單元，并在該單元上賦予其相應(yīng)設(shè)備的質(zhì)量，最后對整體模型施加重力場;第二種方案是直接在上裝設(shè)備的質(zhì)心處，施加相應(yīng)的集中載荷，同樣并對整體模型施加重力場。

2.2.2 扭轉(zhuǎn)工況

車輛的扭轉(zhuǎn)剛度[2]計算方法為：

(1)

式中：K為扭轉(zhuǎn)剛度;

F為車架所受支反力;

L為車架兩受力點(diǎn)之間的距離;

h為車架的撓度。

由于在車架的研發(fā)前期，考慮到車架的通用性問題，因此分析時不考慮車架的上裝設(shè)備等載荷問題，所以依據(jù)公式(1)對車架的扭轉(zhuǎn)剛度分析邊界條件設(shè)置為：分別約束車前輪的X、Y、Z3個方向上的平動自由度，并在左前輪和右前輪處分別依次施加正Z向100 mm的位移約束，車架的后輪施加Z向約束。

2.3 校核標(biāo)準(zhǔn)

由于本文的模型中主要是金屬塑性材料，因此在材料的強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)中，依據(jù)材料力學(xué)中的第四強(qiáng)度。理論進(jìn)行校核，其應(yīng)力[1]表達(dá)式為：

(2)

式中：σ1、σ2、σ3分別為第一方向、第二方向和第三方向上的主應(yīng)力;

σs為材料的屈服強(qiáng)度,當(dāng)σ≤σs時，表示材料的強(qiáng)度滿足設(shè)計要求[8]。

有限元仿真分析結(jié)果后處理時，CAE工程師往往會把Von-Mises應(yīng)力作為評價模型強(qiáng)度好壞的主要判斷依據(jù)，若該值不大于相應(yīng)分析材料的屈服強(qiáng)度時，則認(rèn)為模型設(shè)計的強(qiáng)度合格。

由于本文的車架是特用車輛上的，所以依據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，只要其扭轉(zhuǎn)剛度不小于1 700 Nm/(°)，則認(rèn)為模型的扭轉(zhuǎn)剛度合格。

2.4 仿真結(jié)果處理

2.4.1 靜強(qiáng)度工況

本文著重考察的是車架鈑金件和管件上面的強(qiáng)度，板簧以及板簧安裝支架上面的強(qiáng)度不做校核。靜強(qiáng)度工況下，焊縫實(shí)際建模質(zhì)量單元加載和集中力加載應(yīng)力云圖分別如圖2和圖3所示，焊縫用綁定接觸建模質(zhì)量單元加載和集中力加載應(yīng)力云圖分別如圖4和圖5所示。

圖2 焊縫實(shí)際建模質(zhì)量單元加載應(yīng)力云圖

圖3 焊縫實(shí)際建模集中力加載應(yīng)力云圖

圖4 焊縫用綁定接觸建模質(zhì)量單元加載應(yīng)力云圖

圖5 焊縫用綁定接觸建模集中力加載應(yīng)力云圖

由圖2可以看出，模型的最大應(yīng)力是230 MPa，位于后輪左側(cè);由圖3可以看出，模型的最大應(yīng)力是234 MPa，位于后輪左側(cè);由圖4可以看出，模型的最大應(yīng)力是230 MPa，位于后輪左側(cè);由圖5可以看出，模型的最大應(yīng)力是233 MPa，位于后輪左側(cè)。

對上述最大應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表4。

表4 最大應(yīng)力統(tǒng)計結(jié)果 單位:MPa

2.4.2 扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況下，焊縫實(shí)際建模左前輪加載和右前輪加載分析結(jié)果如圖6和圖7所示，焊縫用綁定接觸模型左前輪加載和右前輪加載分析結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖6 焊縫實(shí)際建模左前輪加載分析結(jié)果

圖7 焊縫實(shí)際建模右前輪加載分析結(jié)果

圖8 焊縫用綁定接觸模型左前輪加載分析結(jié)果

圖9 焊縫用綁定接觸模型右前輪加載分析結(jié)果

由圖6可以看出，模型的加載點(diǎn)的最大支反力是24 357.6 N;由圖7可以看出，模型的加載點(diǎn)的最大支反力是24 348.7 N;由圖8可以看出，模型的加載點(diǎn)的最大支反力是23 981.9 N;由圖9可以看出，模型的加載點(diǎn)的最大支反力是23 976.3 N。

對上述的分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表5。由公式(1)計算可得到各個模型的扭轉(zhuǎn)剛度，并將計算所得的剛度值一并統(tǒng)計在表5中。

表5 扭轉(zhuǎn)剛度統(tǒng)計結(jié)果

2.5 仿真結(jié)果分析

由表4可知，無論哪種模型，也無論是質(zhì)量單元加載或是集中力加載，表中的最大應(yīng)力值是234 MPa,該值遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度345 MPa，表明車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。從應(yīng)力云圖上來看，所有模型中車架的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在主縱梁右后板簧前端連接處，即此處是車架整體強(qiáng)度較為薄弱的地方，后續(xù)的強(qiáng)度優(yōu)化時，應(yīng)優(yōu)先考慮改善此處的強(qiáng)度問題。焊縫的實(shí)體建模模型，用質(zhì)量單元加載的方法比用集中力的加載方法，應(yīng)力值略高，而用焊縫用綁定接觸模型與之相反。總體而言，焊縫用實(shí)際建模和用綁定接觸建模，以及用質(zhì)量單元加載或是用集中力加載，車架上最大應(yīng)力值誤差不超過2%，即本文焊縫的建模方式及上裝設(shè)備的加載形式并不會影響車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

觀察表5分析可得，車架總體的扭轉(zhuǎn)剛度值都是略大于1 700 Nm/(°)。表明雖然車架的扭轉(zhuǎn)剛度滿足設(shè)計要求，但扭轉(zhuǎn)剛度不是特別高，后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，應(yīng)提高其扭轉(zhuǎn)剛度值。焊縫無論是用實(shí)際建模還是用綁定接觸模擬，前左右輪的加載，車架的扭轉(zhuǎn)剛度值幾乎相等，此車架模型仍可以認(rèn)為是左右對稱的。而焊縫用實(shí)際建模，車架相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)剛度要比焊縫用綁定接觸模擬的大，即焊縫用綁定接觸建模，會減弱車架的整體扭轉(zhuǎn)剛度。

3 結(jié)論

依據(jù)上文分析結(jié)果，就本文車架模型而言，可以得出如下結(jié)論：

(1)焊縫實(shí)際建模和焊縫用綁定接觸建模，并不會影響車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但是會影響車架的整體扭轉(zhuǎn)剛度，后者建模會降低車架整體的扭轉(zhuǎn)剛度;

(2)上裝設(shè)備對車架的作用，在建模過程中，將其簡化為質(zhì)量單元或是用集中力代替，對車架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果幾乎沒有太大的影響，即此兩種上裝設(shè)備的簡化加載方式，強(qiáng)度分析效果一致;

(3)此車架模型近似左右對稱，其強(qiáng)度和剛度，雖然都滿足設(shè)計要求，但扭轉(zhuǎn)剛度的余量較小，后期優(yōu)化時仍需要考慮改善此剛度值。